Unha nube molecular é unha rexión extensa no interior dunha galaxia na que a densidade de materia é suficientemente alta, e a temperatura suficientemente baixa, para que exista hidróxeno molecular (H2). Pola súa carencia de dipolo eléctrico, o H2 frío non é observable directamente, pero outras moléculas que existen nas nubes moleculares si o son. O máis abundante despois do H2 é o monóxido de carbono (CO), que é facilmente observable en ondas milimétricas. Centos doutras moléculas foron observadas en nubes moleculares.
As nubes moleculares son especialmente importantes en formación estelar. O nacemento das estrelas ocorre cando rexións dunha nube molecular sofren unha inestabilidade gravitacional que as leva a contraerse. Xeralmente as nubes moleculares son tan extensas e masivas que se fragmentan ata formar un elevado número de protoestrelas.
Actualmente son as estruturas galácticas coñecidas de maior tamaño, con masas de ata 1 millón de veces a do Sol.